Выбор рациональных методов и средств защиты окружающей среды от загрязнения цинкосодержащей пылью в условиях ОАО «Северсталь», г. Череповец

Актуальность работы. Производственная деятельность металлургических предприятий цветной и черной металлургии связана с получением значительного количества отходов и загрязнением окружающей среды содержащимися в них токсичными компонентами. Вследствие несовершенства технологических процессов и инженерно-экологических мероприятий объемы образования токсичных отходов в черной металлургии значительно превышают темпы их утилизации, что приводит к необходимости отведения значительных земельных ресурсов для организации хранилищ отходов предприятий, распространению вредных веществ путем миграции на большие расстояния и созданию вокруг предприятий «мертвых» зон. Складируемые материалы являются источником загрязнения атмосферы, почвы, подземных и поверхностных вод, вследствие чего промышленным предприятиям приходится выделять дополнительные финансовые ресурсы на выплаты санкций за загрязнение окружающей среды.

Из изложенного выше следует актуальный характер решения проблемы изучения состояния окружающей среды в районе функционирования предприятия и разработки, на основе полученных данных, эффективных технико-экологических решений, направленных на снижение антропогенной нагрузки за счет правильного использования ресурсов предприятия.

В качестве объекта исследований выбран металлургический комбинат ОАО «Северсталь» (г. Череповец), являющийся одним из лидеров отечественной черной металлургии по объемам производства черных металлов и сплавов на их основе. К настоящему времени в золошламонакопителях комбината накоплено более 8 миллионов тонн металлургических отходов, содержащих токсичные компоненты (РЬ, Zn, Ре и др.) которые загрязняют окружающую среду. По содержанию полезных компонентов (Ре, и др.) отвальные материалы могут быть отнесены к потенциальным источникам вторичных материальных ресурсов (техногенные месторождения), для утилизации которых необходима разработка эффективных путей переработки в рамках технического парка оборудования предприятия.

Разрабатываемая инновационная технология утилизации твердых отходов комбината, наряду с получением возможности эффективного снижения техногенной нагрузки производства на окружающую среду, должна максимально удовлетворять требованиям основных технологических процессов производства.

Работа выполнялась в 1997;2000 г. в рамках «Региональной экологической программы мэрии г. Череповца» и входила составной частью в план работ Федеральной целевой программы «Интеграция» 1999;2000 г.

Цель работы — снижение уровня нагрузки цинк-железосодержащих отходов на окружающую среду путем разработки эффективной технологии их утилизации, вписывающейся в рамки основного производства предприятий черной металлургии.

Идея работы заключается в утилизации отходов основных производств (конвертерного, доменного и мартеновского) комбинатов черной металлургии (на примере ОАО «Северсталь», г. Череповец) с относительно невысоким содержанием цинка, при условии рационального использования имеющегося технологического парка оборудования предприятия.

Основные задачи работы:

— анализ современного состояния окружающей среды и путей утилизации отходов основных производств на предприятиях черной металлургии;

— изучение характера воздействия ОАО «Северсталь» на окружающую среду Череповецкого района и определение путей снижения уровня антропогенной нагрузки;

— анализ возможности использования технологической базы комбината для разработки технико-экологических решений снижения воздействия цинксодержащих отходов комбината на окружающую среду;

— разработка методики проведения исследований по оценке уровня загрязнения окружающей среды цинксодержащими отвальными пылями и отработке основных параметров процесса направленного на снижение воздействия на окружающую среду и рациональное использование цинксодержащих пылейразработка рекомендаций по снижению уровня нагрузки цинксодержащих отвальных пылей основных производств комбината на окружающую средуразработка математической модели операций переработки цинксодержащих отходов с целью уточнения параметров исследованных технологических процессов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Получена характеристика миграции токсичных соединений отвальных материалов ОАО «Северсталь» в условиях Череповецкого района;

2. Установлена зависимость степени извлечения цинка от основных технологических параметров (тип и расход восстановителя, тип и расход связующего, продолжительность и температура процесса) при переработке бедных по цинку железосодержащих отходов методом вельцевания.

3. Предложена уточненная математическая модель процессов протекающих при переработке бедных по цинку железосодержащих отходов.

Научная значимость работы:

— установлены закономерности формирования загрязнения окружающей среды в районе функционирования ОАО «Северсталь» (г. Череповец);

— установлены уровни загрязнения окружающей среды в зависимости от производственной характеристики предприятия;

— разработана методика изучения загрязнения окружающей среды цинксодержащими отвальными пылями и проведения исследований по отработке основных параметров технических средств снижения воздействия на окружающую среду и рационального использования цинксодержащих пылей;

— изучены кинетические параметры предложенного процесса переработки цинксо держащих отвальных пыл ей;

— разработана математическая модель процессов протекающих при переработке цинксодержащих отвальных пылей.

Основные защищаемые положения:

1. Комплексная методика полевых исследований в районе функционирования предприятия черной металлургии ОАО «Северсталь», включающая рекогносцировочную, фитоценотическую оценку и определение миграционных характеристик цинка в компонентах природно-промышленного комплекса позволяет оценивать воздействие на окружающую среду цинксодержащих соединений, входящих в состав отходов.

2. Эффективность извлечения цинка из бедных по цинку (1−3%) железосодержащих отвальных пылей и шламов ОАО «Северсталь», с возможностью использования вторичных продуктов в основном производстве, может быть достигнута путем переработки отходов методом вельцевания, обеспечивающим максимальное остаточное содержания цинка в огарке около 0,07%.

3. Использование дифференциальных и симплексно-интервальных уравнений позволяет осуществлять совершенствование математического описания процесса переработки цинк-железосодержащих отходов, включающего операции получения и обжига окатышей, имеющего значительный эколого-экономической эффект.

Методы исследований. Решение поставленных в работе задач исследования включало анализ литературных и патентных данных о закономерностях процессов, протекающих в рамках природно-промышленного комплекса, а также в металлургических аппаратах, применяемых для решения задачи снижения техногенной нагрузки комбинатов черной металлургии на окружающую среду. В работе использованы положения теории математического и физического моделирования. Для анализа отобранных проб использовались спектральные, фазовые, рентгено-структурные аналитические методы, а также метод электрического парамагнитного резонанса. Обработка результатов исследований осуществлялась с применением современных компьютерных программ. Правильность рекомендаций и выводов, полученных в работе, проверена сопоставлением теоретических результатов с данными лабораторного эксперимента и натурных наблюдений.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием комплексных методов решения поставленных задач в области полевых исследований, лабораторного эксперимента и математического моделирования, сопоставлением и хорошей сходимостью теоретических и экспериментальных данных, а также представительной выборкой данных наблюдений.

Практическая значимость работы заключается в обосновании и разработке:

1. Методики исследований цинксодержащих отходов и путей их распространения;

2. Комплексной технологии по утилизации цинксодержащих отвальных пылей с целью снижения наносимого ими негативного воздействия на окружающую среду.

3. Модели физических процессов переработки цинк-железосодержащих отходов вельц-процессом;

Лично автором:

— произведен анализ современного состояния проблемы и путей ее решения с использованием методов утилизации отвальных цинксодержащих пылей комбинатов черной металлургии;

— произведен анализ воздействия металлургического комбината ОАО «Северсталь» на окружающую среду, вследствие выбросов и складирования отвальных цинксодержащих пылей;

— осуществлены экспериментальные исследования по определению возможности применения изучаемой технологии для снижения уровня антропогенной нагрузки комбината на окружающую среду;

— проведено математическое эколого-технологическое моделирование применительно к данному району и процессу;

— определена экономическая эффективность предлагаемых мероприятий.

Апробация работы. Основные положения работы были доложены на ряде российских и международных конференциях: 1-ая Международная конференция «Экология и развитие Северо-Запада», 1995 г, МАНЭБ, Санкт-ПетербургМеждународная научно-практическая студенческая конференция «Экология и регион», 1995 г., Ростовская Государственная Экономическая Академия и Северо-Кавказский отдел Русского Географического общества- 1, 2, 3-я конференции студентов и молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение», 1996, 1997, 1998 г, СПГГИ (ТУ), Санкт-ПетербургМеждународный симпозиум «Проблемы комплексного использования руд», 1996 г., СПГГИ (ТУ), Санкт-ПетербургIV Международный Форум «Минерально-сырьевые ресурсы стран СНГ», 1997 г, Санкт-ПетербургП-я Санкт-Петербургская ассамблея молодых ученых и специалистов, 1997 г, СПГПУ (ТУ), Санкт-Петербург- 1У-я Санкт-Петербургская ассамблея молодых ученых и специалистов, 1999 г, Санкт-ПетербургКонференция «Металлургическая технология и экология, РЭСТЕК — Металлургия 99», 1999 г, Михайловский манеж, Санкт-Петербург. На научной конференции молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение», СПГГИ (ТУ), 1996, 1997 г. были присуждены соответственно 3-е и 1-е места.

Публикации. Основные положения работы опубликованы в 19 печатных работах, в том числе 5-и научных статьях и 14-и тезисах докладов.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Изложена на 177 страницах компьютерного текста, содержит 47 рисунков, 24 таблицы и список литературы из 99 наименований.

ВЫВОДЫ.

1. Предложена математическая модель, описывающая закономерности процесса переработки бедных по цинку железосодержащих пылей и шламов. Результаты расчетов, полученные при проведении математического моделирования вельцпроцесса подтвердили результаты лабораторных исследования и позволили получить уточненные параметры, соответствующие наилучшими технико-экологическими показателями исследованного процесса.

2. Экономическая оценка целесообразности внедрения предлагаемой технологии для переработки отвальных цинк-железосодержащих отходов ОАО.

Северсталь" показала, что утилизация этих отходов позволит снизить плату за их размещение в золошламонакопителях и отвалах на 1400 тыс. долл. США, и обеспечить срок окупаемости затрат на внедрение технологии в 1,6 года.

3. С целью улучшения экологической обстановки на АО «Северсталь» предложены технико-экологические мероприятия включающие рекомендации по усовершенствованию процессов складирования и утилизации цинксодержащих отходов, оздоровлению состояния компонентов окружающей среды подвергшихся воздействию цинксодержащими соединениями, а также рекомендаций по обеспечению реализации методов контроля за уровнем воздействия цинксодержащих отходов складируемых в золошламонакопителях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация представляет собой законченную научно-исследовательскую работу, в которой решена актуальная научная и практическая задача снижения уровня воздействия цинк-железосодержащих отвальных материалов комбината черной металлургии АО «Северсталь» на окружающую среду, с разработкой эффективной технологии по их утилизации, позволяющей получать годные к возврату в основное производство железосодержащие окатыши и кондиционный цинковый концентрат.

В результате исследований сделаны следующие научные и практические выводы:

1. Крупными источниками загрязнения окружающей среды токсичными соединениями являются основные производства предприятий черной металлургии: коксохимическое, доменное, мартеновское, конвертерное, а также площадки складирования отходов. Содержание отдельных элементов в отходах колеблется в широких пределах (например, от 1 до 25% для 7л, и от 30 до 60% для Ре). Указанные отвальные продукты, содержащие ценные компоненты и вредные примеси, с учетом больших объемов складирования в золошламонакомителях, характеризуются высокой токсичностью, и отрицательным воздействием на окружающую. Например, в золошламонакопителях ОАО «Северсталь» г. Череповец накоплено более 8 млн. тонн цинк-железосодержащих пылей и шламов, в связи с чем представляется целесообразным их использование в качестве вторичных материальных ресурсов.

2. Исследование производственной деятельности комбината ОАО «Северсталь» г. Череповец, являющегося одним из наиболее крупных комбинатов черной металлургии России, показало, что складирование в золошламонакопителях и отвалах комбината токсичных отходов 1, 2, 3, 4 классов опасности, а также расположение площадок золошламонакопителей и отвалов в местах с недостаточной естественной защищенностью подземных вод приводит к превышению нормативных показателей по таким элементам как тяжелые металлы (более 10 ПДК), нефтепродукты (более 100 ПДК) и т. д.

3. С учетом характеристик почв (фильтрационная способность — 1−2 м/сут., естественная защищенность — слои суглинков, супесчаных пород и т. д.) череповецкого района и режима питания водных объектов, уровень поступления ионов цинка, входящего в состав отходов складируемых в золошламонакопителях комбината, вследствие его подвижности, приводит к повышению его содержания в водных объектах (реки Шексна и Кошта) до 50 100 ПДК и, соответственно, его концентрации в пределах 100−200 ПДК для Шекснинского золошламонакопителя и 50−100 ПДК для золошламонакопителя на реке Кошта.

4. Анализ мирового опыта по применению пирои гидрометаллургических процессов для переработки цинк-железосодержащих пылей и шламов, а также изучение состава отходов комбината и технической базы его производств позволил обосновать целесообразность применения процесса вельцевания для переработки бедных по цинку железосодержащих пылей, с определением оптимальных технико-экономических параметров реализации данного процесса.

5. В результате проведенных лабораторных и укрупненно-лабораторных исследований было установлено:

— для переработки бедных по цинку железосодержащих пылей для условий комбината АО «Северсталь» наиболее целесообразным является применения процесса вельцевания;

— подготовка цинк-железосодержащих материалов к вельцеванию включает процессы шихтовки, окатывания и сушки;

— в качестве связующего целесообразно использовать бентонит с расходом 1% от веса пыликрупность компонентов шихты при окатывании должна составлять.

Л «i/г.. .

U ! Ди IV 1V11VX, температура сушки окатышей — 150 °Спродолжительность сушки — 1,5−2 часа;

— в качестве восстановителя для процесса вельцевания целесообразно использовать коксовую мелочь, расход которой должен составлять 40% от веса пыли, причем около 40−50% восстановителя вводится в окатыши, а остальные 40−50% - на уплотнение шихты и создание восстановительной среды. Показана принципиальная возможность полной или частичной замены коксовой мелочи более дешевым восстановителем — торфом;

— оптимальный температурный интервал процесса вельцевания — 1100−1200°С;

— продолжительность процесса вельц-процесса — 1,5−2,0 часа;

— расход воздуха в лабораторной трубчатой печи — 1,7 — 2 л/мин.

В результате реализации процесса получены железосодержащие материалы (с остаточным содержанием цинка менее 0,1%), пригодные для дальнейшего использования в основном производстве и кондиционный цинковый концентрат.

6. Предложена математическая модель, описывающая закономерности процесса вельцевания. Результаты расчетов, полученные при проведении математического моделирования вельцпроцесса подтвердили результаты лабораторных исследования и позволили рекомендовать уточненные параметры, соответствующие наилучшими технико-экологическими показателями исследованного процесса.

7. Экономическая оценка целесообразность внедрения предлагаемой технологии для переработки отвальных цинк-железосодержащих отходов ОАО «Северсталь» показала, что срок ее окупаемости составляет 1,6 года.

8. С целью улучшения экологической обстановки на АО «Северсталь» разработаны технико-экологические мероприятия, включающие рекомендации по усовершенствованию процессов складирования и утилизации цинк-железосодержащих отходов, оздоровлению состояния компонентов.